(57)【要約】【課題】消費動力のさらなる低減を図り、冷却システムへの入口温度と出口温度の差が大きい熱源をつくり出すことを可能とするとともに、幅広い温度範囲の中で所望の温度の熱源を容易につくり出すことができるヒートポンプシステムを実現する。【解決手段】それぞれ圧縮機３，４、凝縮器９，１０、膨張器１１，１２及び蒸発器７，８を備えた複数の独立した冷凍サイクルＲ１，Ｒ２を備え、各冷凍サイクルで冷凍能力を分担するように構成したカスケード型ヒートポンプシステムにおいて、各圧縮機３，４の冷媒吸入圧及び冷媒吐出圧を階段状に設定するとともに、各蒸発器７，８又は凝縮器９，１０に２次側熱媒体１，２の流路を直列的に接続して該蒸発器又は凝縮器で２次側熱媒体と順々に熱交換させ、２次側熱媒体を階段状に温度変化させて目標温度の冷熱又は温熱を得るように構成する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ圧縮機、凝縮器、膨張器及び蒸発器を備えた複数の冷凍サイクルを並列に配置したカスケード型ヒートポンプシステムにおいて、
前記複数の冷凍サイクルを構成する蒸発器群に一側より最終段に向けて２次側熱媒体の流路を直列に接続し、
各圧縮機の冷媒吸入圧を一側から最終段に向けて順次異ならせて設定し、
前記２次側熱媒体流路に２次側熱媒体を蒸発圧力の高い蒸発器から蒸発圧力の低い蒸発器に向けて順に流すように構成したことを特徴とするカスケード型ヒートポンプシステム。
【請求項２】
それぞれ圧縮機、凝縮器、膨張器及び蒸発器を備えた複数の冷凍サイクルを並列に配置したカスケード型ヒートポンプシステムにおいて、
前記複数の冷凍サイクルを構成する凝縮器群に一側より最終段に向けて２次側熱媒体の流路を直列に接続し、
各圧縮機の冷媒吐出圧を一側から最終段に向けて順次異ならせて設定し、
前記２次側熱媒体流路に２次側熱媒体を凝縮圧力の低い凝縮器から凝縮圧力の高い凝縮器に向けて順に流すように構成したことを特徴とするカスケード型ヒートポンプシステム。
【請求項３】
それぞれ圧縮機、凝縮器、膨張器及び蒸発器を備えた複数の冷凍サイクルを並列に配置したカスケード型ヒートポンプシステムにおいて、
前記複数の冷凍サイクルを構成する蒸発器群及び凝縮器群にそれぞれ一側より最終段に向けて２次側熱媒体の流路を直列に接続し、
各圧縮機の冷媒吸入圧を一側から最終段に向けて順次異ならせて設定し、
前記蒸発器に接続した２次側熱媒体流路に２次側熱媒体を蒸発圧力の高い蒸発器から蒸発圧力の低い蒸発器に向けて順に流すとともに、前記凝縮器に接続した２次側熱媒体流路に２次側熱媒体を凝縮圧力の低い凝縮器から凝縮圧力の高い凝縮器に向けて順に流すように構成したことを特徴とするカスケード型ヒートポンプシステム。
【請求項４】
内部容積比可変型の圧縮機において、前記凝縮器群を一体に構成し、各圧縮機の軸動力を均一化させる方向に各圧縮機の内部容積比を一側から最終段に向けて異ならしめるように構成したことを特徴とする請求項１記載のカスケード型ヒートポンプシステム。
【請求項５】
前記凝縮器群を散水槽を形成する容器本体を一体にした一体型蒸発式凝縮器で構成し、該容器本体の散水領域に前記冷凍サイクルの冷媒配管を別々に配置したことを特徴とする請求項１又は４記載のカスケード型ヒートポンプシステム。
【請求項６】
単一の駆動源に連結された単機二段圧縮の低段側圧縮機と高段側圧縮機を、各々単段機
として機能させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカスケード型ヒートポンプシステム。
【請求項７】
並列に配置された隣り合う２台の圧縮機を向かい合わせ、それらの圧縮機の間に駆動用電動機を配置し、該駆動用電動機の単一の駆動軸に前記２台の圧縮機を連結したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカスケード型ヒートポンプシステム。
【請求項８】
前記複数の冷凍サイクルに単一の自然系冷媒を使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカスケード型ヒートポンプシステム。
【請求項９】
前記複数の冷凍サイクルの少なくともひとつが、高温側の高元冷媒が流れる高元冷凍サイクルと低温側の低元冷媒が流れる低元冷凍サイクルとが低元冷媒が高元冷媒によって蒸発潜熱を吸収されて冷却、液化するカスケード凝縮器で組み合わされた多元冷凍サイクルで構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカスケード型ヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立した複数の冷凍サイクルを並設し、各冷凍サイクルで冷凍能力を分担することにより、動力低減と成績係数の向上を図ったヒートポンプシステムにおいて、２次側熱媒体を複数の冷凍サイクルの蒸発器群又は凝縮器群により段階的に冷却又は加熱することにより、目標とする温度の冷熱又は温熱を得るようにしたカスケード型ヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ビール工場等の冷凍設備等において、多種の冷却負荷が存在し、冷却温度も数種類に分類される。また各々の冷却負荷は、時間帯によってその大きさと全体負荷におけるその割合が変化する。
従来このような多温度、多種の冷却負荷を賄う冷却システムが、例えば特許文献１（特許第２５４５１６２号公報）に開示されている。
【０００３】
この冷却システムは、各冷凍サイクル専用の圧縮機、凝縮器、膨張弁及び凝縮器を有した複数の独立した冷凍サイクルによる冷却システムであって、圧縮機吸入側に蒸発温度別に設けられた複数の蒸発温度別ラインから、該ラインに設けられた弁の開閉又は絞り度を選択することにより、各圧縮機に最も適合する蒸発温度別ラインから各圧縮機の最高蒸発温度にて冷媒を吸入し、もって各冷凍サイクルの消費動力を低減するとともに、各冷凍サイクル間で最適負荷を分配することによ冷凍機消費電力の低減を図ったものである。
【０００４】
【特許文献１】特許第２５４５１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかるに特許文献１に開示された冷却システムは、冷凍機消費動力を低減することはできるが、各冷凍サイクルがそれぞれ独立して対応する冷却負荷に最適の蒸発温度を選定するため、システム全体としての熱効率向上を図ったものではなく、また冷却システムへの入口温度と出口温度の差が大きい冷熱源をつくり出すことが困難である。
また圧縮機吸入側に蒸発温度別に複数の蒸発温度別ラインを設けるとともに、これら複数の蒸発温度別ラインと複数の圧縮機との間に一つの圧縮機につき複数の吸入ラインを設け、さらにこの複数の吸入ラインにそれぞれ開閉弁を設ける必要があり、設備が大掛かりになり、高コストになるという問題がある。
【０００６】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、消費動力のさらなる低減を図るとともに、ヒートポンプシステムの入口温度と出口温度の差が大きい熱源をつくり出すことを可能とし、かつ幅広い温度範囲の中で所望の温度の熱源を容易につくり出すことができるヒートポンプシステムを実現することを目的とする。
また冷凍サイクルを構成する機器類の配置、施工をモジュール化して簡素化し、低コストとすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる目的を達成するため、本発明のカスケード型ヒートポンプシステムの第１の構成は、
それぞれ圧縮機、凝縮器、膨張器及び蒸発器を備えた複数の冷凍サイクルを並列に配置したカスケード型ヒートポンプシステムにおいて、
前記複数の冷凍サイクルを構成する蒸発器群に一側より最終段に向けて２次側熱媒体の流路を直列に接続し、
各圧縮機の冷媒吸入圧を一側から最終段に向けて順次異ならせて設定し、
前記２次側熱媒体流路に２次側熱媒体を蒸発圧力の高い蒸発器から蒸発圧力の低い蒸発器に向けて順に流すように構成したことを特徴とする。
【０００８】
本発明のヒートポンプシステムでは、複数の冷凍サイクルの各圧縮機の冷媒吸入圧を一側から最終段に向けて順次階段状に設定した上で、これら複数の冷凍サイクルに冷凍能力を分担させる。これによって１個の冷凍サイクルで構成した場合と比べて、個々の冷凍サイクルの圧縮比を低減させることができるため、総合して各冷凍サイクル全体の消費動力を削減することができる。
【０００９】
また複数の冷凍サイクルの各蒸発器に２次側熱媒体の流路を高い蒸発圧力（即ち圧縮機吸入圧）に設定された蒸発器の順に直列に接続して、２次側熱媒体を蒸発圧力の高い蒸発器から蒸発圧力の低い蒸発器に向けて順に流し、該蒸発器群で２次側熱媒体と順々に熱交換させ、２次側熱媒体を階段状に温度降下させるようにする。
このため単一の冷凍サイクルで２次側熱媒体を最終温度で取り出す消費動力に比べ、例えば２台で約１／２ずつ分担して冷却すると、蒸発圧力の高い１台目の消費動力は、全体の消費電力の１／２より少ない消費電力で運転する事が可能となる。
また２次側熱媒体が利用したい温度となったところで取り出すことで、任意の温度の２次側熱媒体（冷熱）をつくり出すことが可能になる。
【００１０】
また本発明のカスケード型ヒートポンプシステムの第２の構成は、
それぞれ圧縮機、凝縮器、膨張器及び蒸発器を備えた複数の冷凍サイクルを並列に配置したカスケード型ヒートポンプシステムにおいて、
前記複数の冷凍サイクルを構成する凝縮器群に一側より最終段に向けて２次側熱媒体の流路を直列に接続し、
各圧縮機の冷媒吐出圧を一側から最終段に向けて順次異ならせて設定し、
前記２次側熱媒体流路に２次側熱媒体を凝縮圧力の低い凝縮器から凝縮圧力の高い凝縮器に向けて順に流すように構成したことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第２の構成は、複数の冷凍サイクルを構成する凝縮器群に一側より最終段に向けて２次側熱媒体の流路を直列に接続し、２次側熱媒体を凝縮圧力の低い凝縮器から凝縮圧力の高い凝縮器に向けて順に流し、該凝縮器群で２次側熱媒体と順々に熱交換させ、２次側熱媒体を階段状に温度上昇させるようにする。
このため単一の冷凍サイクルで２次側熱媒体を最終温度で取り出す消費動力に比べ、例えば２台で約１／２ずつ分担して放熱（加熱）すると、凝縮圧力の低い１台目の消費動力は、全体の消費電力の１／２より少ない消費電力で運転する事が可能となる。
また２次側熱媒体が利用したい温度となったところで取り出すことで、任意の温度の２次側熱媒体（温熱）をつくり出すことが可能になる。
【００１２】
また本発明の第３の構成は、
複数の冷凍サイクルを構成する蒸発器群及び凝縮器群にそれぞれ一側より最終段に向けて２次側熱媒体の流路を直列に接続し、
各圧縮機の冷媒吸入圧を一側から最終段に向けて順次異ならせて設定し、
前記蒸発器に接続した２次側熱媒体流路に２次側熱媒体を蒸発圧力の高い蒸発器から蒸発圧力の低い蒸発器に向けて順に流すとともに、前記凝縮器に接続した２次側熱媒体流路に２次側熱媒体を凝縮圧力の低い凝縮器から凝縮圧力の高い凝縮器に向けて順に流すように構成したことを特徴とする。
【００１３】
第３の構成においては、蒸発器及び凝縮器の両方に２次側熱媒体流路を接続する場合は、蒸発器においては圧縮機吸入圧の高いほうを入口とし、凝縮器においては圧縮機吐出圧の低いほうを入口として順々に接続していく。
これによって本発明のヒートポンプシステムの入口と出口との間で冷却システムへの入口温度と出口温度の差が大きい２次側熱媒体をつくり出すことができる。また蒸発器又は凝縮器間に接続された流路で階段状に温度上昇又は温度降下される２次側熱媒体を、目的の温度となった時点で該流路から取り出すことにより、幅広い温度範囲の中で所望の温度の２次側熱媒体（冷熱及び温熱）をつくり出し、各種熱負荷に供給することができる。
【００１４】
また本発明においては、個々の冷凍サイクルでは低圧縮比となり、かつ個々の冷凍サイクルで冷媒充填量を減らすことができるため、圧縮機動力を従来のように１段冷凍サイクルで行なう場合よりも低減でき、従って成績係数ＣＯＰを従来方式より向上することができる。
また個々の冷凍サイクルにおいて冷媒充填量が減りかつ圧縮比が低減されるので、プロパン、プロピレン、イソブタン又はディメチルエチルエータル等可燃性があるＨＣ（炭化水素）系冷媒を使用してもより安全性高く使用することができる。また他の自然系冷媒としてＣＯ２、アンモニア等を使用可能できるが、熱物性の良いアンモニアを使用すれば、さらにＣＯＰを向上させることができる。
【００１５】
本発明によれば、従来非共沸混合冷媒を用い、混合冷媒の液化又は気化の速度勾配と温度変化速度を一致させることにより高効率を達成できるローレンツサイクルと同様の高熱効率を単一の自然系冷媒で達成することができる。しかも単一の冷媒を使用するため、非共沸混合冷媒を使用する場合のように熱交換器が大型化するという欠点がない。
【００１６】
また本発明において、圧縮機にはスクリュー式、レシプロ式又はスクロール式等が使用可能である。また本発明では、複数冷凍サイクルの蒸発器群及び凝縮器群の両方にそれぞれ２次側熱媒体の流路を接続して熱交換することが最良の熱効率を得ることができるが、蒸発器群又は凝縮器群のどちらか一方で熱交換を行なってもよい。
【００１７】
図１の（ａ）は、本発明の第１の構成にかかる一形態を模式的に示したものである。図１（ａ）において、３台の冷凍サイクルＲ１〜Ｒ３が並列に設けられ、それぞれの冷凍サイクルで独立した圧縮機Ｃ、膨張弁Ｆ及び蒸発器Ｅを備えており、凝縮器は、冷凍サイクルＲ１〜Ｒ３に共通した一体型凝縮器Ｄに構成されている。
各圧縮機の吸入圧（蒸発圧力）は、Ｃ１が０．５６ＭＰａ、Ｃ２が０．４６ＭＰａ、Ｃ３が０．３６ＭＰａと階段状に異ならせて設定され、２次側熱媒体Ｂの流路が蒸発器Ｅ１からＥ３に直列に接続され、２次側熱媒体Ｂが蒸発圧力が高いほうの蒸発器Ｅ１から順に低いほうに向かって流れている。
【００１８】
凝縮器Ｄの凝縮圧力、凝縮器温度及び各蒸発器Ｅ１〜Ｅ３での入口及び出口温度は図示のとおりであり、各蒸発器Ｅ１〜Ｅ３の出口で種々の温度の２次側熱媒体Ｂを取り出すことができるとともに、蒸発器Ｅ１の入口と蒸発器Ｅ３の出口間で温度差の大きい冷熱を取り出すことができる。また一方凝縮器Ｄの出口で３７℃の２次側熱媒体Ａを取り出すことができる。
また凝縮器Ｄを一体型としたことにより圧縮機Ｃ１、Ｃ２及びＣ３の圧縮差圧が低減され、これによって圧縮機の消費動力が低減される。また各冷凍サイクルの圧縮機、蒸発器をユニット化することにより、それらの設計、製造及び施工に要する時間、コストを低減することができる。
【００１９】
図１の（ｂ）に従来の１段冷凍サイクルを示すが、かかる従来の冷凍サイクルの高低圧力差（ΔＰ＝１．１ＭＰａ）と比べて、本発明のほうが圧力差を低減でき（圧縮機Ｃ１でΔＰ＝０．６９ＭＰａ、圧縮機Ｃ２でΔＰ＝０．７９ＭＰａ、圧縮機Ｃ３でΔＰ＝０．８９ＭＰａ）、圧縮機動力を低減することができる。これによって成績係数ＣＯＰを従来方式と比べて向上することができる。
【００２０】
図２の（ａ）は、本発明の第２の構成にかかる一形態を模式的に示したものであり、（ｂ）は、１段冷凍サイクルｄ構成された従来方式を示したものである。図２（ａ）の形態は、並列に配置された３段の冷凍サイクルＲ１〜Ｒ３において、凝縮器を各個独立した凝縮器Ｄ１〜Ｄ３で構成し、各凝縮器の凝縮圧力（圧縮機吐出圧）は、凝縮器Ｄ１が１．１８ＭＰａ、Ｄ２が１．５９ＭＰａ、Ｄ３が１．８３ＭＰａと階段状に異ならせて設定され、一方蒸発器Ｅを各冷凍サイクルＲ１〜Ｒ３に共通した一体型としたものである。
【００２１】
かかる形態においては、各凝縮器Ｄ１〜Ｄ３の出口で種々の温度の２次側熱媒体Ａを取り出すことができ、また凝縮器Ｄ３の入口と凝縮器Ｄ１の出口との間で温度差の大きい温熱を取り出すことができる。また蒸発器Ｅを一体とすることにより、冷凍サイクルＲ３の高低圧力差（ΔＰ＝０．８２ＭＰａ）及び冷凍サイクルＲ３の高低圧力差（ΔＰ=１．２３ＭＰａ）を低減でき、図１の（ｂ）に示す従来の１段冷凍サイクルＲの高低圧力差（ΔＰ＝１．４７ＭＰａ）と比べて圧縮比を低減することができ、これによってＣＯＰを従来方式より向上することができる。
【００２２】
図３に示すように、冷凍サイクルにおいては、冷媒の温度が低下し、蒸発圧力が低くなると、蒸発工程で冷媒が希薄となり、成績係数ＣＯＰが低下する。例えば冷媒温度が０℃ではＣＯＰが約５〜６であるのに対し、−１００℃になると、１以下に低下する。本発明では、複数段の冷凍サイクルを構成し、各冷凍サイクルで蒸発圧力を階段状に設定することにより、低温度側の蒸発圧力が低い冷凍サイクルの冷媒量を低減できるため、ＣＯＰ低下の影響を抑えることができる。
【００２３】
また本発明では、冷凍サイクルを複数に分割しているため、個々の冷凍サイクルの圧縮機の容量制御を各熱負荷に応じて別々に行なうことができるので、二次側負荷変動による
温度変化及び２次側熱媒体の流量変動による温度変化への対応等が容易にできる。また２次側熱媒体は、水等の液体、または空気等の気体を使用することができる。
また複数の圧縮機、凝縮器、蒸発器をモジュール化すれば、それらの設計、製造が容易であり、また汎用一体型ユニットとすれば、設計、製造及び施工を大幅に低減することができる。
【００２４】
また本発明の一つの実施形態として、図１に示すように、凝縮器群を一体に構成し、内部容積比可変型の圧縮機を用いた場合において、各圧縮機の軸動力を均一化させる方向に各圧縮機の内部容積比を一側から最終段に向けて異ならしめるように構成すれば、駆動用電動機の単一の駆動軸に複数の圧縮機を連結した場合、最適な圧縮比に基づく動力削減が可能になり、また負荷バランスを良好に保ち、該電動機のトルク変動が少なくなる利点がある。
【００２５】
図４は、単一の駆動軸に３台の圧縮機を連結した場合の圧縮比と内部容積比の例を示す。操作条件に適した内部容積比の圧縮機を採用することにより動力低減が図れる。圧縮比が各冷凍サイクルの蒸発温度で異なるため、同じ内部容積比の圧縮機では過圧縮や圧縮不足のためロスが生じ、３台にカスケードで構成したメリットが相殺される。そのため各圧縮機での最適内部容積比を選定することが重要となる。
【００２６】
また本発明において、好ましくは、単機二段圧縮機として一体型となった低段圧縮機と高段圧縮機を各々単段機として、カスケード利用するとよい。これによってカップリング、歯車等構成部品を削減でき、もって全体構造をコンパクトにすることができる。
さらには隣り合う２台の圧縮機を向かい合わせ、それらの圧縮機の間に駆動用電動機を配置し、該駆動用電動機の単一の駆動軸の両軸端にこれら２台の圧縮機を連結すれば、同様に省スペース化を達成できる。
【００２７】
図５及び図６は、上記のように隣り合う２台の圧縮機を単機二段圧縮機としてあるいは向かい合わせに単一の駆動軸に連結した場合の動力削減状況を示すための図である。
２台の圧縮機を連結した場合、１ｓｔ（１台目）、２ｎｄ（２台目）の容量比が図５に示すように各種組み合わせで考えられる。ＴＥ１で７、ＴＥ２で３を分担すると、簡略的にに考えると、面積Ｓ＝３×７＝２１となり、動力の削減部分に擬似される。
【００２８】
その結果、図５に示すように、１ｓｔ：５が削減面積最大であることがわかり、２台でカスケード構成する場合の容量は、１ｓｔ＝５、２ｎｄ＝５となり、１：１が最適となる。また図５からわかるように、１ｓｔと２ｎｄとの容量比が３：７から７：３の場合に動力削減が著しいことがわかる。
【００２９】
また一体型凝縮器の一実施形態として、散水槽を形成する容器本体を一体にした一体型蒸発式凝縮器で構成し、該容器本体の散水領域に前記冷凍サイクルの冷媒配管を別々に配置すれば、凝縮器として一般的な冷却塔を使用する場合と比べて凝縮温度を下げることができ、これによって冷凍サイクルの成績係数ＣＯＰを向上することができる。
また複数の冷凍サイクルの各々単一の凝縮器を使用することにより、冷媒としてアンモニア等の自然冷媒を使用した場合、万一アンモニアの漏洩が生じても大量漏洩しない構造とすることができ、また可燃性のＨＣ系冷媒を用いた場合でも、１台のファンで容易に換気することができる。
【００３０】
また本発明の他の実施形態として、複数の冷凍サイクルの少なくともひとつが、高温側の高元冷媒が流れる高元冷凍サイクルと低温側の低元冷媒が流れる低元冷凍サイクルとが低元冷媒が高元冷媒によって蒸発潜熱を吸収されて冷却、液化するカスケード凝縮器で組み合わされた多元冷凍サイクルで構成するようにしてもよい。
【００３１】
図７は、この構成を模式的に示す説明図である。図７において、Ｍ１は、高温側の高元冷媒が流れる高元冷凍サイクルＨ１と、低温側の低元冷媒が流れる低元冷凍サイクルＬ１とがカスケード凝縮器Ｇ１で組み合わされた多元冷凍サイクルであり、カスケード凝縮器Ｇ１では、低元冷凍サイクルＬ１の低元冷媒が高元冷凍サイクルＨ１の高元冷媒によって蒸発潜熱を吸収されて冷却、液化する。多元冷凍サイクルＭ２及びＭ３も同様の構成を有する。
【００３２】
かかる構成とすれば、蒸発器Ｅ１〜Ｅ３を結ぶ２次側熱媒体流路で−６０℃の２次側熱媒体を−１００℃付近の極低温に冷却可能となり、極低温の冷熱を製造可能であるとともに、凝縮器Ｄ１〜Ｄ３を結ぶ２次側熱媒体流路で例えば３０〜４５℃の温熱を同時にかつ高効率で製造することができる。またカスケード凝縮器Ｇ１〜Ｇ３の低元冷媒から−４０℃〜−３０℃の冷熱をとり出すこともできる。
このように本発明では、独立に並列配置された複数の冷凍サイクルのうち、その一部を多元冷凍サイクルとして、極低温から高温までの広い温度幅の間で所望の温度の熱源を自在に取り出すことができ、またそれによって高効率なヒートポンプサイクルを実現することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の第１構成によれば、複数の冷凍サイクルを構成する蒸発器群を一側より最終段に向けて２次側熱媒体の流路を直列に接続し、各圧縮機の冷媒吸入圧を一側から最終段に向けて順次異ならせて設定し、２次側熱媒体流路に２次側熱媒体を蒸発圧力の高い蒸発器から蒸発圧力の低い蒸発器に向けて順に流すように構成したことにより、幅広い温度範囲の多種の冷却負荷に対して最適温度の冷熱を供給することができるとともに、各圧縮機の圧縮比を低減することができるので、圧縮機動力を低減できて、ＣＯＰを向上させることができる。
【００３４】
また本発明の第２の構成によれば、複数の冷凍サイクルを構成する凝縮器群を一側より最終段に向けて２次側熱媒体の流路を直列に接続し、各圧縮機の冷媒吐出圧を一側から最終段に向けて順次異ならせて設定し、２次側熱媒体流路に２次側熱媒体を凝縮圧力の低い凝縮器から凝縮圧力の高い凝縮器に向けて順に流すように構成したことにより、幅広い温度範囲の多種の加熱負荷に対して最適温度の温熱を供給することができるとともに、各圧縮機の圧縮比を低減することができるので、圧縮機動力を低減できて、ＣＯＰを向上させることができる。
【００３５】
また本発明の第３の構成によれば、複数の冷凍サイクルを構成する蒸発器群及び凝縮器群をそれぞれ一側より最終段に向けて２次側熱媒体の流路を直列に接続し、各圧縮機の冷媒吸入圧を一側から最終段に向けて順次異ならせて設定し、前記蒸発器に接続した２次側熱媒体流路に２次側熱媒体を蒸発圧力の高い蒸発器から蒸発圧力の低い蒸発器に向けて順に流すとともに、前記凝縮器に接続した２次側熱媒体流路に２次側熱媒体を凝縮圧力の低い凝縮器から凝縮圧力の高い凝縮器に向けて順に流すように構成したことにより、幅広い温度範囲の多種の冷却負荷及び加熱負荷に対して最適温度の冷熱及び温熱を供給することができるとともに、複数の冷凍サイクルの全部で各圧縮機の圧縮比を低減して圧縮機動力を低減することができ、これによってＣＯＰをさらに向上させることができる。
【００３６】
単一の駆動源に連結された単機二段圧縮の低段側圧縮機と高段側圧縮機を、各々単段機として機能させるように構成すれば、複数台の圧縮機をあたかも１台の圧縮機として一体型ユニット構造にまとめることができるため、容積で約１０〜３０％の省スペース化が可能となり、またこれら複数の圧縮機を一体型ユニット化することにより、設計、製造及び施工に要する時間又は費用を大幅に削減することができる。
【００３７】
また凝縮器群を一体に構成し、内部容積比可変型の圧縮機を用いた場合において、各圧縮機の軸動力を均一化させる方向に各圧縮機の内部容積比を一側から最終段に向けて異ならしめるように構成すれば、駆動用電動機の単一の駆動軸に複数の圧縮機を連結した場合、最適な圧縮比に基づく動力削減が可能になり、また負荷バランスを良好に保ち、該電動機のトルク変動が少なくなる利点がある。
【００３８】
また凝縮器群を散水槽を形成する容器本体を一体にした一体型蒸発式凝縮器で構成し、該容器本体の散水領域に前記冷凍サイクルの冷媒配管を別々に配置すれば、一般的な冷却塔を使用する場合に比べて凝縮温度を下げることができ、これによって冷凍サイクルのＣＯＰを低減することができるとともに、一体化することにより、コンパクトにまとめることができ、設計、製造が容易になる。
【００３９】
また一体型の蒸発式凝縮器とすることにより、自然系冷媒であるアンモニアを冷媒として使用し万一漏洩した場合でも散水により除害しやすく、かつ一体型のため、構造的に漏れ箇所を少なくすることができ、漏れ防止対策を採り易くなる利点がある。
また２台の圧縮機を単一の駆動軸に連結した場合、両圧縮機への容量分配を３：７から７：３にすることにより大きな動力削減を達成できる。
【００４０】
また好ましくは、複数の冷凍サイクルの少なくともひとつを、高温側の高元冷媒が流れる高元冷凍サイクルと低温側の低元冷媒が流れる低元冷凍サイクルとが低元冷媒が高元冷媒によって蒸発潜熱を吸収されて冷却、液化するカスケード凝縮器で組み合わされた多元冷凍サイクルで構成すれば、マイナス６０℃からマイナス１００℃の極低温の２次側熱媒体を製造可能となるとともに、高温側２次側熱媒体として例えば３０〜４５℃の温熱を同時にかつ高効率で製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明をそれのみに限定する趣旨ではない。
図８は本発明の第１実施例を示す構成図、図９は、本発明の第２実施例を示す構成図、図１０は、本発明の第３実施例を示す構成図、図１１は、本発明の第４実施例を示す構成図である。
【実施例１】
【００４２】
本発明の第１実施例は、同軸で駆動される単機二段圧縮機を使用した２段階のカスケード型ヒートポンプシステムチラーユニットに係り、図８において、圧縮機３および圧縮機４は、駆動源（電動機等）５の単一の駆動軸に連結されて同時運転する同軸一体型単機二段圧縮機ユニット６を形成する。圧縮機４、凝縮器１０、膨張弁１１、蒸発器７は、冷媒循環流路１３で接続される、単一の独立した第１冷凍サイクルＲ１を構成し、蒸発器７により流路１を流れる冷却二次側熱媒体（例えば水）から吸熱し、凝縮器１０により流路２を流れる加熱（放熱）二次側熱媒体へ凝縮熱を排出する。
【００４３】
同時に圧縮機３、凝縮器９、膨張弁１２、蒸発器８は、冷媒循環流路１４で接続される、単一の独立した第２冷凍サイクルＲ２を構成し、蒸発器８により、流路１を流れる冷却二次側媒体（例えば水）から吸熱し、凝縮器９により流路２を流れる加熱二次側熱媒体へ凝縮熱を排出する。
冷却二次側熱媒体は蒸発器７により一段階目の冷却がなされた後、その流路１が直列に配置された蒸発器８によりさらに二段階目の冷却が施される。
【００４４】
一方、加熱二次側熱媒体は、冷却二次側媒体１の流れとは逆の方向で、凝縮器９により一段階目の凝縮熱を受熱し、その後その流路２が直列に配置された凝縮器１０により二段階目の凝縮熱を受熱する。
以上の構成を有する各機器は、一体型チラーユニット１５として一体的に製造される。
【００４５】
かかる構成の第１実施例によれば、単段圧縮機で単一の冷凍サイクルを構成した従来のヒートポンプチラーユニットに比べ、駆動源（電動機等）５の単一の駆動軸に駆動される単機二段圧縮機を用いることにより、圧縮機＋駆動源組み合わせの２台別置きの配置が、あたかも１台の圧縮機として一体型ユニット構造にまとめられるため、容積比で概略１〜３割の省スペースが可能となる。
【００４６】
さらに単機二段圧縮機を一体型ユニット化することにより、汎用一体型ユニットとして製造、施工することができ、製造、施工に要する時間及び設備費が大幅に削減される。
また本実施例は、冷却二次側熱媒体（水）１の冷却温度差例Δｔ＝１０℃〜３０℃の冷熱と加熱二次側熱媒体（水）２の加熱温度差例Δｔ＝１０〜３０℃の温熱とを同時製造可能であるとともに、本実施例のカスケードヒートポンプチラーを汎用機化することにより、空調用、その他の加熱・冷却負荷、特に産業用冷温熱プロセスのプラス〜マイナス温度の幅広い温度域の熱源をつくり出す場合に、従来よりＣＯＰを約２０〜５０％向上させることが可能となる。
【００４７】
例えば温度差２０℃で２次側熱媒体（水）を１段冷凍機で加温及び冷却する場合の従来方式と本発明との冷却の場合のＣＯＰを比較した場合を図１２に示す。図中、（ａ）は従来の１段加温・冷却方式を示し、（ｂ）は本発明の第１実施例による２段カスケード加温・冷却を示す。図１２に示すように、本発明のほうがＣＯＰが向上しており、電力換算で従来方式より２３％削減することができる。
【実施例２】
【００４８】
次に本発明の第２実施例を図９により説明する。第２実施例は、単段圧縮機２台を両駆動軸端を有する駆動機（電動機）で連結駆動する、２段階のカスケード型ヒートポンプチラーユニットに係る実施例であり、図９において、圧縮機３’および圧縮機４’は各々単一の単段圧縮機を示し、１台の両軸端駆動機５’の両軸端に接続されて同時運転する、タンデム駆動型圧縮機ユニット６’を形成する。
その他の部位の構成は、前記第１実施例と同一であるので、それら同一の部位には第１実施例と同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４９】
かかる構成の第２実施例によれば、第１実施例と同様に、従来は圧縮機＋駆動源組み合わせの２台別置きの配置が、１基の駆動源５’の両軸端に圧縮機３’及び圧縮機４‘を連結する事により、容積で約１０〜３０％の省スペースが可能となる。その他２台の圧縮機を汎用一体型ユニットとして製造、施工することによる工費節減、ＣＯＰの向上等、第１実施例と同様の作用効果を奏する。
【００５０】
なお第１実施例の単機二段圧縮機ユニット６と第２実施例のタンデム駆動型圧縮機ユニット６’とを比較すると、第１実施例の圧縮機ユニット６が完全直結型の場合、カップリング、シール装置及びベアリング等が１個で済み、これに対し第２実施例のタンデム駆動型圧縮機ユニット６’は、上記部品を圧縮機２台に個別に必要であり、そのため第１実施例の圧縮機ユニット６のほうが占有スペース、重量及びコストがともに低減する。
【実施例３】
【００５１】
次に本発明の第３実施例を図１０により説明する。本実施例は、一体型凝縮器を組み込んだカスケード型ヒートポンプチラーユニットに係り、図１０において、圧縮機２５、駆動源２８、凝縮熱交換器２２、膨張弁３７、及び蒸発器３１は、冷媒循環流路３４により接続されて、単一の独立した第１冷凍サイクルＲ１を構成し、蒸発器３１には２次側熱媒体流路２１が接続されて冷却二次側熱媒体から吸熱し、凝縮熱交換器２２により放熱する。
【００５２】
圧縮機２６、駆動源２９、凝縮熱交換器２３、膨張弁３８、及び蒸発器３２は、冷媒循環流路３５により接続されて、単一の独立した第２冷凍サイクルＲ２を構成し、蒸発器３２には冷却二次側熱媒体流路２１が接続されて２次側熱媒体から吸熱し、凝縮熱交換器２３により放熱する。
また圧縮機２７、駆動源３０、凝縮熱交換器２４、膨張弁３９、及び蒸発器３３は、冷媒循環流路３６により接続されて、単一の独立した第３冷凍サイクルＲ３を構成し、蒸発器３３には冷却二次側熱媒体流路２１が接続されて２次側熱媒体から吸熱し、凝縮熱交換器２４により放熱する。各冷凍サイクルの蒸発器３１〜３３には冷却２次側熱媒体流路２１が直列に接続されて、蒸発圧力（圧縮機吸入圧）の高い蒸発器３１から低い側へ２次側熱媒体が流れるように構成されている。
【００５３】
凝縮熱交換器２２、凝縮熱交換器２３、凝縮熱交換器２４は、散水ポンプ４５、散水配管４１、空気入口４２、排気ファン４３、及び冷却水４４で構成される一体型の蒸発式凝縮器２５の内部に配置される。
冷却二次側熱媒体（水）２１は蒸発器３０により一段階目の冷却後、直列に配置された蒸発器３２により二段階目の冷却がなされ、さらに直列に配置された蒸発器３３により三段階目の冷却がなされる。以上の機器類で構成される一体型チラーユニット４６は、一体に製造、施工される。
【００５４】
第３実施例では、凝縮器を一体に構成するため、各圧縮機２５〜２７の吐出圧は同一となるが、これら圧縮機の吸入圧を階段状に設定することにより、各圧縮機の圧縮比を単一の冷凍サイクルで稼動させる場合より小さくすることができる。このように各圧縮機２５〜２７の圧縮比がそれぞれ異なるために、各圧縮機の内部容積比を異ならしめてこれら圧縮機の軸動力を均一化するように構成している。これによってこれらの圧縮機の負荷バランスを良好に保つことができる。またこれら圧縮機を駆動用電動機の単一の駆動軸に連結した場合、該電動機のトルク変動が少なくなる利点がある。
【００５５】
かかる構成の第３実施例によれば、従来、一般的な冷却塔により冷凍サイクルの冷却水を３７℃から３２℃に冷却した場合、冷凍サイクルの凝縮温度は４０℃〜４２℃程度と推定されるが、蒸発式凝縮器を使用した場合は、一般的に３５℃とされており、本実施例において、蒸発式凝縮器４１を組み込んだことより、凝縮温度が下がり、これにより、冷凍サイクルのＣＯＰが約１０％向上する。
【００５６】
また蒸発式凝縮器４０の上記省エネルギー効果を生かしつつ、且つ冷却二次側熱媒体２１の冷却温度差を大きくとり、複数の冷凍サイクルＲ１、Ｒ２、Ｒ３の構成にて直列にカスケード運転することにより、冷却性能の省エネルギー効果が相乗され、従来、単一で使用されている水冷式凝縮器使用のヒートポンプチラーに比べ、ＣＯＰ（成績係数）を約１０〜２０％向上させることが可能となる。
【００５７】
さらに本発明の第３実施例として、２次側冷却媒体の入出口の温度差Δｔ＝２０℃以上の場合について従来方式とのＣＯＰを比較した例を図１３に示す。図１３において、（ａ）は従来の冷却方式を示し、（ｂ）は本発明の第３実施例による３段カスケード冷却方式を示す。（ｂ）に示すように、本発明のほうがＣＯＰが格段に向上し、電力換算で３７％削減される。
【００５８】
また一体型蒸発式凝縮器４０としたことにより、冷媒として毒性をもつアンモニアを使用した場合でも、漏れ箇所を排気ファン４３の部分のみに限定することができ、万一アンモニア漏れが発生した場合でもアンモニアの機外への漏洩を容易に防止することができる。
また本実施例において汎用ユニットとして、一体型ユニット構造とすることにより、製造、施工等を大幅に低減することができる。
【実施例４】
【００５９】
次に本発明の第４実施例を図１１に基づいて説明する。本実施例は、二元冷凍サイクルを複数直列に配置したカスケード型ヒートポンプチラーユニットに係り、図１１において、低元圧縮機５６、駆動源５７、カスケード凝縮器５９、膨張弁６０、蒸発器５８は、低元側の単一冷凍サイクルを構成し、冷却２次側熱媒体流路５１が蒸発器５８に接続されて、冷却二次側熱媒体から吸熱し、カスケード凝縮器５９により低元側冷凍サイクルの凝縮熱を排出する。
【００６０】
さらに高元圧縮機６２、駆動源６３、凝縮器６４、膨張弁６５、カスケード凝縮器５９は高元側の単一冷凍サイクルを形成し、カスケード凝縮器５９により低元側冷凍サイクルの凝縮熱を回収し、凝縮器６４に加熱（放熱）次側熱媒体流路５２が接続されて、加熱（放熱）次側熱媒体流路へ高元側冷凍サイクルの凝縮熱を排出する。これらの低元側と高元側の組み合わせにより、単一の第１二元冷凍サイクル５３を構成する。
【００６１】
一方、低元圧縮機６７、駆動源６８、カスケード凝縮器７０、膨張弁７１、蒸発器６９は低元側の単一冷凍サイクルを構成し、蒸発器６９に冷却２次側熱媒体流路５１が接続されて、冷却二次側媒体から吸熱し、カスケード凝縮器７０により低元側凝縮熱を排出する。さらに高元圧縮機７３、駆動源７４、凝縮器７５、膨張弁７６、及びカスケード凝縮器７０により高元側の単一冷凍サイクルを形成し、カスケード凝縮器７０で低元側冷凍サイクルの凝縮熱を回収し、凝縮器７５で加熱（放熱）二次側熱媒体流路５２と接続し、加熱（放熱）二次側熱媒体へ高元側冷凍サイクルの凝縮熱を排出する。これらの低元側と高元側の組み合わせにより、単一の第２二元冷凍サイクル５４を構成する。
【００６２】
冷却二次側熱媒体５１は、第一の二元冷凍サイクル５３の蒸発器５８により一段階目の冷却後、さらに直列に配置された第二の二元冷凍サイクル５４の蒸発器６９により二段階目の冷却がなされる。また加熱２次側熱媒体５２は、第一の二元冷凍サイクル５３の凝縮器６４により一段階目の加熱後、さらに直列に配置された第二の二元冷凍サイクル５４の凝縮器７５により二段階目の加熱がなされる。かかる構成の第４実施例は、一体型ユニット構造７７として製造、施工される。
なお図７中に、各部位における２次側熱媒体又は冷媒の温度値を一例として示す。
【００６３】
かかる第４実施例によれば、冷却２次側熱媒体流路５１において、入口温度−６０℃の２次側熱媒体から出口温度―８０〜−１００℃の極低温２次側熱媒体をつくり出すことができ、また同時に加熱２次側熱媒体流路５２において、入口温度２０℃の２次側熱媒体から出口温度４５℃の高温２次側熱媒体をつくり出すことが出来る。
【００６４】
このように二元冷凍サイクルを複数直列にカスケード構成させることにより、従来の単一の二元冷凍サイクルシステムを適用する場合に比べ、ＣＯＰ（成績係数）を数％向上させることが可能である。
またカスケード凝縮器５９及び７０で夫々−２０℃及び−４０℃の冷熱源をつくり出すことができ、このように種々の冷却負荷に冷熱源を供給することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明によれば、システムの入口と出口とで温度差の大きな冷熱源及び温熱源を得ることができるとともに、多種の冷却負荷又は加熱負荷に対して幅広い温度範囲の冷熱又は温熱を供給することができ、またヒートポンプシステムの動力を削減でき、成績係数ＣＯＰを格段に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１の（ａ）は、本発明の第１の構成にかかる一形態を示す模式図、（ｂ）は従来の冷凍サイクルを示す模式図である。
【図２】図２の（ａ）は、本発明の第２の構成にかかる一形態を示す模式図、（ｂ）は従来の冷凍サイクルを示す模式図である。
【図３】冷媒温度とＣＯＰとの関係を示す線図である。
【図４】単一の駆動軸に３台の圧縮機を連結した場合の圧縮比と内部容積比の例を示す表である。
【図５】隣り合う２台の圧縮機を単一の駆動軸に連結した場合の動力削減状況を示す線図である。
【図６】隣り合う２台の圧縮機を単一の駆動軸に連結した場合の動力削減状況を示すＰ−Ｔ線図である。
【図７】本発明の第３の構成にかかる一形態を示す模式図である。
【図８】本発明の第１実施例を示す構成図である。
【図９】本発明の第２実施例を示す構成図である。
【図１０】本発明の第３実施例を示す構成図である。
【図１１】本発明の第４実施例を示す構成図である。
【図１２】本発明の第１実施例によるＣＯＰ向上率を示す説明図である。
【図１３】本発明の第３実施例によるＣＯＰ向上率を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６７】
１，２１，５１  ２次側熱媒体流路
２，５２  加熱（放熱）２次側熱媒体流路
３，３’，４，４’，２５，２６，２７  圧縮機
５，２８，２９，３０，５７，６３，６８，７４  圧縮機駆動源
６  単機二段圧縮機ユニット
６’  タンデム駆動型圧縮機ユニット
７，８，３２，３２，５８，６９蒸発器
９，１０，６４，７５  凝縮器
１１，１２，３７，３８，３９，６０，６５，７１，７６  膨張弁
１５，４６，７７  一体型チラーユニット
４０  蒸発式凝縮器
５３  第１二元冷凍サイクル
５４  第２二元冷凍サイクル
５９，７０  カスケード凝縮器
５６，６７  低元圧縮機
６２，７３  高元圧縮機
Ｒ１  第１冷凍サイクル
Ｒ２  第２冷凍サイクル
Ｒ３  第３冷凍サイクル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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